光電技術在濕度傳感器中的應用研究

王憲楠 劉欽臣

摘 要：對于每一個行業來說，在測量地質水文情況時，濕度都是一個重要的物理量，在許多條件下必須對環境的濕度進行測量。隨著我國科技水平的不斷發展，與現代化意義相適應的濕度傳感器技術已經發展到較為成熟的水平。本文主要從測量原理的角度出發，詳細地介紹并總結了光電濕度傳感器及其應用的方法，并闡述了濕度傳感器未來發展的主要方向。

關鍵詞：濕度傳感器；光纖光柵；薄膜；光纖傳感器；平面波導

引言：

現階段，低溫條件下的濕度測量技術已經達到了非常成熟的水平，被廣泛地應用于醫療、倉儲、食品、紡織等各個行業，并有著成熟的商業化商品。相對一些高新行業而言，比如：發電變電、工業管道、高爐、航空航天、陶瓷生產等等，對濕度測量的要求較高，因此，需要發展新型的濕度傳感器以適應惡劣條件下的精確測量。

一、濕度的概念

濕度是指空氣的干濕程度，常被用來表示各種物理量，例如：絕對濕度、相對濕度、比較速度、飽和差等。另外，蒸汽的濕度也包括在內，其表示濕蒸氣中液態水分的質量占蒸汽總質量的百分比。一般條件下，在同一個大氣壓下空氣溫度越高，其濕度的極限值就越大。

（一）絕對濕度

絕對濕度是指在一定體積的空氣中含有水蒸氣的質量，它的單位是克每立方米，當絕對濕度達到飽和狀態時則稱為最高濕度。

（二）相對濕度

相對濕度表示在一定大氣壓強的水蒸氣的飽和度，是絕對濕度和最高濕度的比值。當相對濕度的數值達到百分之百時，空氣就達到了水蒸氣的飽和值。同一大氣壓強下，隨著溫度的升高，空氣的最高濕度越高。另外，依據相對濕度和溫度的數值，也可以換算出表示溫度的其它參數。

二、光電式濕度傳感器研究路程

目前，市面上出現的濕度傳感器的種類繁多，根據材料劃分可分為半導體陶瓷濕度傳感器、電解質濕度傳感器以及有機高分子聚合物濕度傳感器三種類型；根據測量方式可分為光電式濕度傳感器和電阻式濕度傳感器等等。

（一）光敏模式的濕度傳感器

光敏式濕度傳感器的用處良多，可以應用于測量多種氣體的組成成分，其中就包括相對難以測量的水。使用相對合適的薄膜材料測量待測氣體，就可得出其精確的組成數值。這種濕度傳感器的應用原理是不同溫度下空氣與敏感膜材料接觸，產生的不同的光學參數數值。并且，根據膜材料不同的反應原理，還可將其劃分為通過光吸收的濕度傳感器以及通過熒光效應反應的濕度傳感器，而后一種通常采用光纖來作為接受信號的光傳輸媒介。

光敏薄膜式的濕度傳感器能夠得到良好的應用，其最核心的部分就是濕度敏感材料的選擇，選擇一種兼具強選擇性和敏感性的材料很重要。例如：一種典型的材料結晶紫，它本身是一種含有三個氮苯基末端基團的陽離子染料，因為其本身的性質當膜含水量增加時，由于磺酸基的酸性減弱，該材料就會由原來的顏色轉變為綠色，當檢驗時，測量吸光度和濕度的關系就變得很容易。

對于光敏模式的濕度傳感器，在濕度測量技術中，會使用到分子探針和化學傳感膜，相關探頭的設計和分子探頭的選擇是使用這種濕度傳感器的核心。實際情況下，選擇一種適合光敏傳感器的傳感膜并不容易，第一，要選擇與待測氣體的共存氣體不具有影響的傳感膜，這種濕度傳感膜很容易受到二氧化碳等氣體的影響。第二，要在適宜的溫度下測量出傳感膜的光學性質，并根據所測出的數據進行定量分析和總結。使用光敏模式傳感器之前，需要對標準的濕度進行標定。因此，這種類型的濕度傳感器，不僅適用于對光敏薄膜較敏感的環境，還可以適用于實驗室內的測量。另外，為了保證做測量濕度的精準，需要更進一步的改良傳感膜的材料和結構，選擇一種更加敏感、速度更快、更高水平的傳感膜。

（二）光纖氏濕度傳感器

光纖式濕度傳感器，是一種以光纖作為敏感媒介的，由自組織錐形光纖構成的濕度傳感器。該種傳感器的結構總體上呈現錐形，是由一段單模的光纖從中間部分轉變為錐形，而且要保證錐形的一段保持均勻的直徑，并且所使用敏感的復合材料將均勻直徑部分包裹成啞鈴型。總體結構輕便、緊湊、體積較小，適合各種條件下的濕度測量。

（三）光纖光柵式濕度傳感器

相對于其它結構的濕度傳感器，光纖光柵的整體結構更加緊湊。另外，還可以使用波長測量的方法直接測量出待測物理量，這提高了測量的精準度，測量速度極快，而且可以同時測量溫度和濕度。如果想要更好地發揮其作用，只需要通過選擇濕膨脹線性具有優勢的材料，整體上會出現良好的測量質量。另外，該傳感器使用的是雙FBG結構，需要同時使用光譜儀和雙波長的光源。雖然在使用光通信技術的前提下，可以使用以上儀器和光源，但整體系統成本較高。

（四）波導式濕度傳感器

波導式濕度傳感器能夠在較低的濕度范圍內依然具有較高的靈敏性，特別適合用于低濕度環境中對濕度嚴格控制的場合。另外，該種濕度傳感器的反應迅速，各種器件響應速度也很快，通過調整整個制備的過程可以優化響應速度的參數。由于這種傳感器的制作工藝和傳統意義上的制作過程相匹配，所以就可以使用現有的材料實現傳感器的組裝。但波導式濕度傳感器有一個難以彌補的缺點，就是對設備各零部件的要求極高，而且工藝程序復雜，不適合應用于器件的批量生產。

（五）其它光電氏濕度傳感器

現階段，隨著我國整體的科技水平的提高，微機電系統技術也迅速發展起來，這就意味著微電子技術制造工藝處于一個較高的水平。因此將微光電系統應用于濕度傳感器領域是濕度傳感器測量技術的又一大進步，在結構上使濕度傳感器更加微型化，加工更加精細化，更容易處理部分集成信號的問題。

三、光電技術在濕度傳感器領域的使用和推廣

將光電技術應用于濕度傳感器的領域，促進了濕度傳感器金屬水平的提高，并且增加了非接觸檢測和無損檢測的精度值，對傳感器技術水平的提高提供了技術支持和條件需求，為傳感器新產品的出現提供了前提和保障。

技術人員在規定理想的濕度傳感器時，有很多的要求，包括物理特性和化學特性兩方面。在物理特性上，要求傳感器要具有制造工藝簡單、體積小、抗高壓、抗低溫、抗腐蝕、壽命長、穩定性強、測量精準度高的優勢；在化學特性上，則要求傳感器的靈敏度高、線性度好、溫度系數小。將光電技術應用于濕度傳感器領域的一個實例，就是光敏薄膜式濕度傳感器。該傳感器采用的氣體分布檢測方法，操作簡便且容易施行，只需尋找到與水氣敏感度相適應的光電材料，便可以使用這一類型的濕度傳感器。但無論任何一種材料都很難達到傳感器多方面的使用要求，所以需要使用復合性能較強以及壽命較長的材料。除此之外，還由于其測量的設備比較特殊，測量的方法也有局限，因此一般適用于實驗室的濕度測量。

采用特殊的光纖或者是光纖光柵可以直接作為敏感材料濕度傳感器的傳感膜，是極為理想化的一種材料，這是因為光纖具有優異的光學特性和極高的光纖加工水平。首先，這種光電式濕度傳感比普通的濕度傳感器的模式更加緊湊、便捷，整體結構上也有所簡化，節省成本投資；其次，光纖在惡劣的條件中，能夠依靠它本身抗電磁干擾和抗高溫的特殊性質發揮優勢，擴展了濕度傳感器的測量范圍，為未來傳感器應用于極端環境測量的發展提供了指導方向。

綜上所述，將光纖技術應用在濕度傳感器中，不僅提高了濕度傳感器的測量精準度，而且為各種條件下濕度的測量提供更高的技術支持。未來濕度傳感器測量領域將會面臨著新的挑戰，這就要求相關的設計人員不斷地提高自身的技術水平，完善自身素質，為未來濕度傳感器的發展作出貢獻。

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